Анисимова Л.С., Пикула Н.П., Михеева Е.В. Практикум по физической и коллоидной химии

Подождите немного. Документ загружается.

Формула мицеллы имеет вид:

 

 







 xClClxnnFeOOHFem

)()(

Очистка коллоидного раствора

Полученный коллоидный раствор подвергают очистке методом

диализа. В диализатор, сосуд из полупроницаемой мембраны, наливают

полученный раствор гидрозоля; диализатор помещают в широкий

стакан, наполовину наполненный дистиллированной водой. При

многократном опускании и поднимании диализатора в воде происходит

очистка гидрозоля: загрязняющие золь ионы переходят через мембрану

в воду, а очищенный коллоидный раствор остается в диализаторе. В

процессе диализа воду во внешнем сосуде (стакане) меняют 3-4 раза.

Полноту очистки коллоидного раствора проверяют проведением

качественной реакции на хлорид-ионы, проходящие из диализатора во

внешний сосуд.





NOAgClAgNOCl

Диализ заканчивают, когда качественная реакция на хлорид-ионы

дает отрицательный результат.

Исследование процесса коагуляции коллоидного раствора

Для проверки правильности предположения о заряде коллоидной

частицы и правил электролитной коагуляции очищенный коллоидный

раствор подвергают коагуляции путем действия на него различных

электролитов.

Предварительно записывают формулу мицеллы гидрозоля и

определяют знак заряда коллоидной частицы. Поскольку коллоидный

раствор имеет положительно заряженные коллоидные частицы, то

коагуляцию должны вызывать анионы, причем, тем быстрее, чем выше

заряд аниона.

В четыре пробирки приливают по 10,0 мл полученного и

очищенного раствора гидрозоля. Заполняют три бюретки растворами

электролитов: 4,0 моль-экв/л

NaCl

, 0,01 моль-экв/л

SONa

0,001 моль-экв/л

 

 

CNFeK

, устанавливают объем электролитов на

нулевой отметке. В каждую из трех пробирок с золем по каплям

приливают растворы электролитов из бюреток до появления первых

признаков коагуляции (появления мути, изменения цвета золя и др.).

Отмечают объем электролита, пошедшего на коагуляцию. Четвертая

пробирка с золем является контрольной.

Обработка результатов эксперимента

1. Для каждого электролита вычисляют порог коагуляции по

уравнению (4.1).

2. Проводят сравнение объемов электролитов, вызвавших

коагуляцию. Для этого по закону эквивалентов пересчитывают объемы

электролитов на одинаковую концентрацию, например 0,001 моль-

экв/л.

2211

VCVС 

где:

- исходная концентрация электролита, моль-экв/л;

- объем электролита с концентрацией

, мл;

- концентрация электролита, равная 0,001 моль-экв/л;

- искомый объем электролита, мл.

Результаты эксперимента заносят в таблицу 4.1.

Таблица 4.1

Результаты исследования процесса коагуляции коллоидного раствора

Электролит

4,0 моль-экв/л

NaCl

0,01 моль-экв/л

SONa

0,001 моль-экв/л

 

 

CNFeK

Исходная концентрация

электролита

моль-экв/л

Объем электролита,

вызвавшего

коагуляцию золя

мл

Объем электролита

, пересчитанный на

концентрацию

0,001 моль-экв/л, мл

lgV

Валентность иона-

коагулятора,

Порог коагуляции,



3. Строят график зависимости объема электролита, вызвавшего

коагуляцию

lgV

от валентности иона коагулятора. По оси абсцисс

откладывают

lgV

, по оси ординат – величины, обратные значению

валентности коагулирующих ионов

4. Выводят правило значности, т.е. определяют отношение порогов

коагуляции при различных валентностях ионов-коагуляторов.

CBA

IIIIIi

:::: 



где: величины

CBA ,,

получают при делении соответственно порогов

коагуляции одновалентного, двухвалентного и трехвалентного аниона

электролита на порог коагуляции трехвалентного аниона электролита.

5. Делают вывод по результатам эксперимента.

Определение электрокинетического

потенциала методом электрофореза

План коллоквиума

по теме «Электрические свойства коллоидных систем».

1. Электрокинетические явления: электрофорез, электроосмос,

потенциал течения, потенциал оседания. Причины возникновения

электрокинетических явлений.

2. Основные теории строения двойного электрического слоя:

Гельмгольца - Перрена, Гуи-Чепмена, Штерна.

3. Строение коллоидных мицелл.

4. Понятие электрокинетического потенциала, место его нахождения.

Влияние различных факторов на величину электрокинетического

потенциала: концентрации индифферентных электролитов,

толщины двойного электрического слоя, диэлектрической

проницаемости, специфической адсорбции





он

ионов и

рН

среды, природы поверхности контактирующих фаз

(полиэлектролитов, содержащих ионогенные группы) др.

5. Методы определения электрокинетического потенциала. Уравнение

Гельмгольца-Смолуховского.

Литература

1. Кузнецов В.В. Физическая и коллоидная химия. – М.: Высш.шк.,

1976. – 277с.

2. Фридрихсберг Д.А. Курс коллоидной химии. – Л.:Химия, 1984. –

С.196-230.

3. Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии. – М.:Химия, 1975. –С.169-

208.

4. Фролов Ю.Г.Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и

дисперсные системы. – М.:Химия, 1982. – С.67-78, 256-267.

5. Зимон А.Д., Лещенко Н.Ф. Коллоидная химия. – М.:Химия, 1995. –

С. 115 – 126.

6. Карбаинова С.Н., Пикула Н.П., Анисимова Л.С., Катюхин В.Е.,

Романенко С.В. Поверхностные явления и дисперсные системы. –

Томск: Изд.ТПУ, 2000. – С.65-81.

Теоретическая часть

Причиной возникновения электрокинетических явлений является

существование двойного электрического слоя (ДЭС) на границе

раздела дисперсной фазы и дисперсионной среды.

Существование двойного электрического слоя и скачка потенциала

на границе двух фаз играет большую роль не только в процессах

адсорбции ионов и ионного обмена, но и в других явлениях, важных для

теории и практики. К ним относятся: электродные процессы,

электрокапиллярные и электрокинетические явления, процессы массо-и

энергообмена в пористых телах, поляризация и др.

Электрокинетические явления – процессы взаимного смещения

фаз под действием электрического поля. К ним относятся:

электрофорез, электроосмос, потенциал течения, потенциал оседания.

Электрофорез (Рейс, 1808 г.) – явление движения частиц

дисперсной фазы под действием электрического поля. Используется при

обезвоживании сырых нефтей, при бурении скважин для укрепления

грунтов, для улавливания в заводских трубах ценных отходов, для

очистки веществ от примесей, выделении продуктов и др.

Электроосмос (Видеман, 1852 г.) – явление движения жидкости

относительно неподвижной твердой фазы под действием внешнего

электрического поля. В нефтепромысловом деле для ликвидации

прихватов бурового инструмента электроосмос используют для

пропитки пород растворами с целью создания искусственной смазки из

разжиженного грунта. При строительстве гидротехнических

сооружений (дамб, плотин) его применяют для удаления избыточной

влаги, путем намывки грунта. Частицы коллоидно-дисперсных грунтов,

как правило, заряжены отрицательно, а вода – положительно. Для

понижения уровня грунтовых вод в грунт вводят два электрода,

отрицательный электрод помещают в специально пробуренную

скважину. Вода под действием электрического поля перемещается в

скважину, откуда откачивается. Также электроосмос лежит в основе

интенсификации добычи нефти, путем вытеснения ее из пластов водой.

Потенциал течения (Квинке, 1859 г.) – явление возникновения

потенциала при движении жидкости через пористую диафрагму под

давлением. Потенциал течения возникает при протекании природных

вод в земной коре через грунты и горные породы, в результате

образуются естественные поля. Исследование этих полей, их аномалий,

обусловленное залеганием проводящих рудных тел, широко

используется геофизиками для разведки полезных ископаемых и

природных вод.

Потенциал оседания (Дорн, 1878 г.) – явление возникновения

разности потенциалов между электродами под действием

механического передвижения частиц дисперсной фазы в жидкости.

Потенциал оседания является причиной грозовых разрядов в атмосфере.

Основные теории строения двойного электрического слоя

Для всех теорий двойного электрического слоя общими являются

следующие положения:

 двойной электрический слой (ДЭС) состоит из

потенциалопределяющих ионов (ПОИ), прочно связанных с

дисперсной фазой, и эквивалентного количества противоионов

(ПИ), расположенных в дисперсионной среде;

 поверхностный заряд, обусловленный наличием на твердой

нейтральной поверхности потенциалопределяющих ионов,

равномерно распределен по всей поверхности дисперсной фазы;

 между противоионами двойного электрического слоя и ионами

того же знака раствора существует динамическое равновесие;

 дисперсионная среда влияет на строение двойного электрического

слоя через величину диэлектрической проницаемости.

Целью всех теорий являлось получение зависимости между

поверхностным зарядом и потенциалом на границе раздела фаз.

Теория Гельмгольца - Перрена (1879г.)

Двойной электрический слой

рассматривается как плоский конденсатор,

внутренняя обкладка которого с

потенциалом



формируется из

потенциалопределяющих ионов (1), а

внешняя, состоящая из противоионов (2),

расположена в жидкости параллельно

поверхности на расстоянии

межмолекулярного порядка



от нее

(рис.4.1).

Поверхностный заряд уменьшается

линейно с расстоянием от поверхности, в

соответствии с теорией плоского

конденсатора. Подобное строение ДЭС

возможно при отсутствии теплового

движения ионов.

Рис.4.1. Модель строения

ДЭС Гельмгольца.

Теория Гуи - Чепмена (1910-1913 гг.)

Двойной электрический слой имеет

диффузионное (размытое) строение и все

противоионы (3) находятся в его

диффузионной части (рис.4.2).

Такое строение определяется

соотношением сил электростатического

притяжения ионов, зависящего от

электрического потенциала, и тепловым

движением ионов, стремящихся

равномерно распределиться во всем объеме

жидкой фазы.

Противоионы рассматриваются как

точечные заряды, не имеющие

собственных размеров, а потенциал



экспоненциально снижается по мере

удаления от поверхности.

Рис.4.2. Модель строения

ДЭС Гуи и Чепмена.

Теория Штерна (1924 г.)

Современная теория строения

двойного электрического слоя Штерна

объединяет две предыдущие теории.

Согласно этой теории, слой противоионов

состоит из двух частей.

Одна часть противоионов находится в

непосредственной близости от межфазной

поверхности (2) и образует слой

Гельмгольца (адсорбционный слой),

толщиной не более диаметра составляющих

его гидратированных ионов



Адсорбционный слой формируется в

результате электростатического взаимодей-

ствия с потенциалопределяющими ионами

и специфической адсорбции.

Другая часть противоионов (3)

находится в диффузной части ДЭС

(диффузный слой Гуи), толщина которого

Рис.4.3. Модель строения

ДЭС Штерна.

может быть значительной и зависит от состава системы. При

увеличении расстояния от слоя потенциалопределяющих ионов

(потенциала адсорбционного слоя – точка А) потенциал ДЭС

уменьшается линейно до потенциала диффузного слоя



(точка Б), а

затем по экспоненте (рис.4.3).

Строение коллоидных систем

Коллоидные системы состоят из дисперсной фазы и

дисперсионной среды. Частицу дисперсной фазы вместе с двойным

электрическим слоем называют мицеллой. Мицелла – сложное

структурное образование, состоящее из агрегата,

потенциалопределяющих ионов и противоионов.

Внутреннюю часть мицеллы составляет агрегат основного

вещества. Как правило, агрегат состоит из большого числа молекул или

атомов кристаллического или аморфного строения. Агрегат

электронейтрален, но обладает большой адсорбционной способностью и

способен адсорбировать на своей поверхности ионы из раствора –

потенциалопределяющие ионы (ПОИ).

При выборе потенциалопределяющих ионов пользуются

эмпирическим правилом Фаянса-Панета-Пескова: «На твердой

поверхности агрегата в первую очередь адсорбируются ионы, которые:

 входят в состав агрегата;

 способны достраивать кристаллическую решетку агрегата;

 образуют труднорастворимое соединение с ионами агрегата;

 изоморфны с ионами агрегата.»

Агрегат вместе с потенциалопределяющими ионами составляет

ядро мицеллы. Ядро мицеллы, обладающее большим зарядом,

притягивает ионы противоположного заряда – противоионы (ПИ) из

раствора. Часть противоионов находится в непосредственной близости

от ядра, прочно связаны с ним за счет адсорбционных и

электростатических сил, и образует плотную часть двойного

электрического слоя (адсорбционный слой). Ядро с с противоионами

плотной части двойного электрического слоя образуют гранулу или

коллоидную частицу. Знак коллоидной частицы определяется знаком

потенциалопределяющих ионов. Коллоидную частицу (гранулу)

окружают противоионы диффузного слоя – остальная часть

противоионов, подвергающихся броуновскому движению и менее

прочно связанная с ядром. В целом образуется мицелла. Мицелла в

отличие от гранулы электронейтральна.

Золь гидроксида железа (III) получают гидролизом хлорида

железа (III).

HClOHFeOHFeCl 3)(3

323



Формула мицеллы имеет вид:

Мицелла золя всегда электронейтральна. Под действием внешнего

электрического поля мицелла как бы разрывается по границе между

плотной и диффузной частями ДЭС: агрегат мицеллы вместе с плотным

слоем (заряженная коллоидная частица) перемещается к одному

электроду, а ионы диффузионного слоя движутся вместе с жидкостью к

другому электроду.

Электрокинетический потенциал

Согласно современным представ-

лениям о строении ДЭС, полное падение

общего поверхностного потенциала



слагается из падения адсорбционного

потенциала



в плотной части ДЭС и

падения потенциала диффузного слоя



его диффузионной части.

Потенциал



снижается по мере

удаления от поверхности, причем в

адсорбционном слое наблюдается линейное

уменьшение



. Нарушение линейной

зависимости происходит на границе между

адсорбционным и диффузным слоями

противоионов (линия АА).

Рис.4.4. Современная модель

строения ДЭС.





Fe(OH)





nFe

(

n-x

)Cl



3x+

3xCl

агрегат

потенциал-

определяющие

ионы

пр отивоионы

ядро

адсор бционный слой

диффузный слой

коллоидная частица (гранула)

мицелла

В диффузном слое снижение



-потенциала происходит по

экспоненциальному закону.

Теория двойного электрического слоя, широко используемая для

интерпретации поверхностных явлений, нуждается в

экспериментальной проверке. Однако, не существует прямых методов

измерения потенциалов на границе адсорбционного слоя. Таким

образом, адсорбционный потенциал



принадлежит к разряду

практически неизмеримых величин.

Можно измерить другую близкую величину –

электрокинетический потенциал



(дзета-потенциал). Величина

электрокинетического потенциала является менее определенной, но

измеряемой экспериментально.

Дзета-потенциал определяют как потенциал границы скольжения

(линия ББ) фаз при их относительном передвижении в электрическом

поле. Положение границы скольжения в ДЭС не известно. Полагают,

что граница скольжения проходит либо на расстоянии толщины

плотной части ДЭС, и в этом случае





; либо смещена в жидкую

фазу, тогда





, где



- потенциал на границе плотная часть ДЭС –

диффузная часть ДЭС.

Во многих случаях в первом приближении принимают





поскольку теоретические закономерности, предсказанные для



хорошо подтверждаются на опыте в отношении



-потенциала.

Электрокинетический потенциал является важнейшей

характеристикой коллоидной системы, ее двойного электрического

слоя, поскольку он не зависит от параметров системы, в которой

находится золь (радиус, длина, форма пор диафрагмы).

Электрокинетический потенциал является однозначной

характеристикой электрических свойств данной границы раздела и

определяется экспериментально из электрокинетических явлений,

связанных с относительным перемещением фаз.

Порядок величин



в зависимости от состава фаз и концентрации

электролита обычно составляет 0,01÷0,1 В.

Определение электрокинетического потенциала

Электрокинетический потенциал, а также знак заряда коллоидной

частицы можно определить из любого электрокинетического явления.